Tb-Fe
系薄膜における結晶構造及び磁気特性日大生産工(院) ○山本 浩司 日大生産工 新妻 清純・移川 欣男
1 はじめに
磁歪とは外部磁界により磁性体の寸法ある いは体積が変化する現象である。この現象を 利用し,電磁石などにより磁界を印加させる ことで外部から非接触制御することも可能 であり,ロボットの駆動部などのアクチュエ ータにも応用がなされている。特に,RE(希土 類元素)-Fe系の材料は巨大な磁歪を発生する ことが報告されている(1)。また, RE-Fe系のア モルファス材料では高い磁歪ならびに電気 機械結合係数が期待されている(2)。一般に磁 性材料においては,熱処理を施すことにより 磁気特性の向上が期待される。そこで,本研究
ではTb-Feの合金比率を変化させ薄膜を作製
し得られた薄膜試料に熱処理を施し,試料の 磁気特性ならびに結晶構造について検討し た。
2 実験方法および測定方法
試料の作製方法として純度99.999%のFeな らびに純度99.9%のTbを母材として用い,真 空蒸着法により試料を作製した。装置図の概
略を Fig.1 に示す。成膜条件としてはチャン
バー内を 4.0×10-4Pa 以下まで高真空排気し た後,投入電圧4kV とし,ソーダライムガラス 基板及び磁歪測定用として厚さ0.0125mmの ポリイミドフィルム,熱処理用としてテンパ ックス基板上に成膜を行った。なお,膜厚は
200nm一定とした。また,熱処理は卓上型管状
炉を用い真空度を 8.0×10-4Pa 以下とし,熱処 理温度を723K一定とし1h熱処理を行った。
試料の評価方法として,磁気特性には振動試 料型磁力計(VSM),磁気異方性の測定にはバ ランシングコイル型トルク計,結晶解析には Cu-Kαを線源とするＸ線回折装置(XRD),組成 分析には電子線マイクロアナライザ(EPMA), 磁歪特性の評価にはストレインゲージ法を それぞれ用いた。
３.実験結果
3.1 各種薄膜の結晶構造解析
Fe 母材及び真空蒸着法により得られた Fe 薄膜試料のＸ線回折図形を Fig.2 に示す。図 より,いずれの試料においても2θ=44.67°の α-Fe(110)及び,2θ=82.33°のα-Fe(211)から
Crystal Structure and Magnetic Properites of Tb-Fe System Thin Film
Kouji YAMAMOTO,Kiyozumi NIZUMA and Yoshio UTSUSHIKAWA
DC power supply Current
Rotary pump
MV
LV LV
Substrate Substrate
Base metal
Fig.1 Schematic diagram of EB Method Diffusion
pump
DC power supply Current
Rotary pump
MV
LV LV
Substrate Substrate
Base metal
Fig.1 Schematic diagram of EB Method Diffusion
pump
DC power supply Current
Rotary pump
MV
LV LV
Substrate Substrate
Base metal DC power
supply Current
Rotary pump
MV
LV LV
Substrate Substrate
Base metal
Fig.1 Schematic diagram of EB Method Diffusion
pump
.
の回折線が確認された。なお,一般ではα-Fe の 第 一 ピ ー ク で あ る 2θ=44.67° の α -Fe(110)からの回折線の強度が強いはずであ る が,母 材 で の 2θ=65.18° に お け る α -Fe(200)からの回折線の強度が強いのは,母材 が圧延による影響と考えられる。次に,Tb 母 材及び Tb 薄膜での回折X 線図形をFig.3に 示す。母材においてはTb及びTbOからの回 折線が確認されたことから Tb の酸化物が形 成されていることが分かる。薄膜試料では 2θ=31.78°の Tb(00・2)からの回折線が確認さ れた。次に,Tb-Fe 薄膜におけるTb の組成比 を変化させた薄膜のＸ線回折図形を Fig.4 に 示す。図より5%～15%Tbの組成を有する薄 膜試料では 2θ=44.78°のα-Fe(110)からの 回折線が確認されるが25%以上のTbの組成 ではα-Fe からの回折線が消失し完全にアモ ルファス化したことが確認できた。次に,完全 にアモルファス化した 39%Tb-61%Fe の薄膜 試料に熱処理を施したＸ線回折図形を Fig.5 に示す。
図 よ り 熱 処 理 を 施 す こ と に よ り 2θ
=44.78 ° の α -Fe(110) 及 び 2θ=31.78° の
Tb(00・2)からの回折線が確認されたことから
それぞれ単体で再結晶化されていることが 分かる。
3.2 Tb-Fe薄膜における磁気特性
真空蒸着法により作製したTb-Fe薄膜試 料においてTbの組成を変化させたTb-Fe 薄
20 30 40 50 60 70 80 90
After annealing
Before annealing
Intensity [a.u.]
2θ[deg.]
Fig.5 X-ray diffraction patterns of Tb-Fe thin film.
Tb(00・2) α-Fe(110)
20 30 40 50 60 70 80 90
After annealing
Before annealing
Intensity [a.u.]
2θ[deg.]
Fig.5 X-ray diffraction patterns of Tb-Fe thin film.
20 30 40 50 60 70 80 90
After annealing
Before annealing
Intensity [a.u.]
2θ[deg.]
Fig.5 X-ray diffraction patterns of Tb-Fe thin film.
Tb(00・2) α-Fe(110)
Intensity [a.u.]
2θ[deg.]
20 30 40 50 60 70 80 90
Tb (Base metal)
Tb (Thin film) Tb(10・2) Tb(11・0) Tb(10・3) Tb(11・2)+Tb(20・1) Tb2O3(642) Tb(20・2) Tb(10・4) Tb(20・3) Tb(21・1) Tb(11・4)
Tb(10・1)
Tb(00・2)Tb2O3(002)
Fig.3 X-ray diffraction patterns of Tb base metal and Tb thin film.
Intensity [a.u.]
2θ[deg.]
20 30 40 50 60 70 80 90
Tb (Base metal)
Tb (Thin film) Tb(10・2) Tb(11・0) Tb(10・3) Tb(11・2)+Tb(20・1) Tb2O3(642) Tb(20・2) Tb(10・4) Tb(20・3) Tb(21・1) Tb(11・4)
Tb(10・1)
Tb(00・2)Tb2O3(002)
Fig.3 X-ray diffraction patterns of Tb base metal and Tb thin film.
Fig.4 X-ray diffraction patterns of Tb-Fe thin films.
20 40 60 80
Intensity [a.u.]
2θ[deg.]
30 50 70 90
α-Fe(110)
10%Tb-90%Fe 15%Tb-85%Fe 25%Tb-75%Fe 39%Tb-61%Fe
5%Tb-95%Fe
Fig.4 X-ray diffraction patterns of Tb-Fe thin films.
20 40 60 80
Intensity [a.u.]
2θ[deg.]
30 50 70 90
α-Fe(110)
10%Tb-90%Fe 15%Tb-85%Fe 25%Tb-75%Fe 39%Tb-61%Fe
5%Tb-95%Fe
Magnetization Ms [×10-4Wb・m/kg]
0 -400
-800 400 800
Magnetic field H [kA/m]
3.0
1.5
0
-1.5
-3.0
Fig.6 M-H loops of Tb-Fe thin films. (Hm=800kA/m) 39%Tb-61%Fe 25%Tb-75%Fe 10%Tb-90%Fe 5%Tb-95%Fe
Magnetization Ms [×10-4Wb・m/kg]
0 -400
-800 400 800
Magnetic field H [kA/m]
3.0
1.5
0
-1.5
-3.0
Fig.6 M-H loops of Tb-Fe thin films. (Hm=800kA/m) 39%Tb-61%Fe 25%Tb-75%Fe 10%Tb-90%Fe 5%Tb-95%Fe
40 50 60 70 80 90
Intensity [a.u.]
2θ[deg.]
α-Fe (Base metal)
α-Fe (Thin film)
α-Fe(110) α-Fe(211)
α-Fe(200)
Fig.2 X-ray diffraction patterns of Fe base metal and Fe thin film.
40 50 60 70 80 90
Intensity [a.u.]
2θ[deg.]
α-Fe (Base metal)
α-Fe (Thin film)
α-Fe(110) α-Fe(211)
α-Fe(200)
Fig.2 X-ray diffraction patterns of Fe base metal and Fe thin film.
Fig.6 M-H loops of Tb-Fe thin films. (Hm=800kA/m)
膜のVSMによるM-HループをFig.6に示す。
図より Tb の組成の増加に伴い保磁力が増加
し,異方性が増大していることが分かる。
5%Tb-95%Fe では純 Fe の標準飽和磁化値で ある 2.74×10-4[Wb・m/kg]と同程度であっ た。次にTb-Fe薄膜におけるTb組成比依存 性の磁気特性をFig.7に示す。
図より,飽和磁化 MsはTb の組成が増加す
るに伴い 15%Tb 付近で急激に減少し,その後
緩やかに減少する傾向を示した。しかし,保磁 力Hcにおいては15%付近で急激に増加しそ の後緩やかに増加する傾向を示した。次に, バランシングコイル型トルク計により測定 した各試料での磁気異方性の Tb 組成比依存 性をFig.8に示す。図より,Tbの組成比が増加 するに連れ磁気異方性値 K が増大している ことが分かる。さらに,39%Tb-61%Fe の組成
を有するTb-Fe薄膜を熱処理に施した試料と
熱処理前の試料の M-H ループを Fig.9 に示 す。図より熱処理前では飽和磁化Msは3.64
×10-5 [Wb・m/kg]であるのに対し熱処理後は Ms=8.62×10-5 [ Wb・m/kg]と増加し,保磁力 Hc に お い て は 熱 処 理 前 で は Hc=18.55 [kA/m] で あ る の に 対 し 熱 処 理 後 で は Hc=4.90[kA/m]と減少する傾向を示し,磁気特 性が向上することが確認できる。
3.3 ストレインゲージ法による磁歪特性 真空蒸着法によりポリイミドフィルムに 成膜を行ったTb-Fe 薄膜におけるTb組成比 を変化させ最大印加磁界 800[kA/m]における 磁歪特性をFig.10に示す。なお,薄膜試料での ストレインゲージ法による磁歪測定は各試
0 10 20 30 40 50
0 50 100 150
K//[×104J/m3]
Tb content [at%]
Fig.8 Dependence of magnetic anisotropy value of Tb-Fe thin films on Tb content.
0 10 20 30 40 50
0 50 100 150
K//[×104J/m3]
Tb content [at%]
Fig.8 Dependence of magnetic anisotropy value of Tb-Fe thin films on Tb content.
0 10 20 30 40 50
0 0
10 20 30 40
1.0 2.0 3.0
Ms
-4 [×10Wbm/kg]・ Hc [kA/m]
Tb content [at%]
Fig.7 Dependence of Ms and Hc of Tb-Fe thin films on Tb content.
Ms Hc
0 10 20 30 40 50
0 0
10 20 30 40
1.0 2.0 3.0
Ms
-4-4 [×10Wbm/kg]Ms [×10Wbm/kg]・・ Hc [kA/m]
Tb content [at%]
Fig.7 Dependence of Ms and Hc of Tb-Fe thin films on Tb content.
Ms Hc Ms Hc
0 -1 4 6 8 10 12
400 800
2
95%Fe - 5%Tb 61%Fe - 39%Tb
75%Fe - 25%Tb
85%Fe - 15%Tb 89%Fe - 11%Tb
Ni Magnetic field H [kA/m]
λ/λ(Ni)
Fig.10 Dependence of Magnetostriction (ratio of Ni value)of Tb-Fe thin films on magnetic field.
0 -1 4 6 8 10 12
400 800
2
95%Fe - 5%Tb 61%Fe - 39%Tb
75%Fe - 25%Tb
85%Fe - 15%Tb 89%Fe - 11%Tb
Ni Magnetic field H [kA/m]
λ/λ(Ni)
Fig.10 Dependence of Magnetostriction (ratio of Ni value)of Tb-Fe thin films on magnetic field.
Magnetization Ms [×10-4Wb・m/kg]
0 -400
-800 400 800
Magnetic field H [kA/m]
3.0
1.5
0
-1.5
-3.0
Fig.9 M-H loops of Tb-Fe thin films. (Hm=800kA/m) After annealing
Before annealing
Magnetization Ms [×10-4Wb・m/kg]
0 -400
-800 400 800
Magnetic field H [kA/m]
3.0
1.5
0
-1.5
-3.0
Fig.9 M-H loops of Tb-Fe thin films. (Hm=800kA/m) After annealing
Before annealing
料ともポリイミドフィルム上に成膜を行っ ているが内部応力や拘束力が発生している ため測定が困難であるため,Ni 薄膜との比較 を行うものとする。Fig.10より,印加磁界の増 加に伴いストレインゲージ法で得られた磁 歪量は,増加する傾向を示し,25%Tb 以上の組 成 で 急 激 に 増 加 し た 。 次 に,印 加 磁 界 Hm=800[kA/m]の時の Tb-Fe 薄膜の磁歪特性 のTb組成比依存性をFig.11に示す。
Ni薄膜での磁歪定数を1としTb-Fe薄膜の 磁歪量を比較すると 15%Tb ではほぼ同程度 であるが,Tb の組成比を増加させるに連れ変 化量は増加する傾向を示し,40%TbではNi薄 膜に対し約12.5倍と大きな値を示した。以上 の磁歪特性を数値化するとTable1になる。
表よりNi薄膜とNiバルクを比較しても約 5.5倍であることが分かる。
4 まとめ
真空蒸着法を用いて Tb の組成比を変化さ
せTb-Fe系薄膜を作製し熱処理を施した試料
の,結晶構造及び磁気特性を検討した結果を まとめると次の通りである。
(1) 作製したFe及びTb薄膜でのX線回折に おいて母材と作製した薄膜とでは配向性が 変化していた。また,Tb-Fe薄膜においてはTb からの回折線は確認されなかったが Tb の組 成が増加するに連れα-Fe(110)からの回折線 が減少し,25%Tb-75%Fe の時にα-Fe(110)か らの回折線が消失した。このことから Tb と Feは混相でTbならびにFeがアモルファス化 したと考えられる。
(2) VSM及びバランシングコイル型トルク計
による磁気特性において,飽和磁化 Ms は Tb の減少に伴い純 Fe の標準飽和磁化値である 2.74×10-4[Wb・m/kg]に 近 づ く 傾 向 を 示 し,15%Tb 付近において急激に減少した。ま た,保磁力 Hcは Tbの増加に伴い増加する傾 向を示した。磁気異方性では保磁力と同様 に,Tbの増加に伴い増加する傾向を示した。
(3) 印 加 磁 界 800[kA/m]で 最 大 を 示 し た 39%Tb-61%Feにおいて,Ni薄膜の12.5倍であ った。報告されている Ni の磁歪定数がλｓ
=-33×10-6であり60%Fe-40%Tbがλｓ=350×
10-6であることから約 10.6 倍であり,それに ほぼ近い値となった。Tb-Fe の組成比を変化 させることにより,磁歪量が変化することが 明らかになった。
参 考 文 献
(１) A.E.クラーク 江田 弘：「超磁歪材料」日刊工
業
(２) 脇若弘之, 渡辺利彦, 梅本美之, 清宮照夫, 牧
村美加:「超磁歪薄膜の力センサーへの応用」
日本応用磁気学会誌26,543-546(2002)
0 10 20 30 40 50
0 5 10 15
λ/λ(Ni)
Tb content [at%]
Hm=800[kA/m]
Fig.11 Dependence of ratio of Ni value) of Tb-Fe thin films on Tb content.
Ni/Ni
0 10 20 30 40 50
0 5 10 15
λ/λ(Ni)
Tb content [at%]
Hm=800[kA/m]
Fig.11 Dependence of ratio of Ni value) of Tb-Fe thin films on Tb content.
Ni/Ni
0.30 1.82×10-6
5%Tb - 95%Fe
-6.0×10-6 1 Ni Thin films
λ/λ（Ni)
1.13 6.82×10-6
11%Tb - 89%Fe
75.4×10-6 12.5
39%Tb - 61%Fe
49.8×10-6 8.30
25%Tb - 75%Fe
10.6×10-6 1.77
15%Tb - 85%Fe
0.96 5.80×10-6
10%Tb - 90%Fe
Table1 Magnetostriction value (ratio of Ni value) in magnetic field 800[KA/m] of Tb-Fe thin films.
λs
Ni Balk -33.0×10-6 5.5
0.30 1.82×10-6
5%Tb - 95%Fe
-6.0×10-6 1 Ni Thin films
λ/λ（Ni)
1.13 6.82×10-6
11%Tb - 89%Fe
75.4×10-6 12.5
39%Tb - 61%Fe
49.8×10-6 8.30
25%Tb - 75%Fe
10.6×10-6 1.77
15%Tb - 85%Fe
0.96 5.80×10-6
10%Tb - 90%Fe
Table1 Magnetostriction value (ratio of Ni value) in magnetic field 800[KA/m] of Tb-Fe thin films.
λs
Ni Balk -33.0×10-6 5.5
0.30 1.82×10-6
5%Tb - 95%Fe
-6.0×10-6 1 Ni Thin films
λ/λ（Ni)
1.13 6.82×10-6
11%Tb - 89%Fe
75.4×10-6 12.5
39%Tb - 61%Fe
49.8×10-6 8.30
25%Tb - 75%Fe
10.6×10-6 1.77
15%Tb - 85%Fe
0.96 5.80×10-6
10%Tb - 90%Fe
Table1 Magnetostriction value (ratio of Ni value) in magnetic field 800[KA/m] of Tb-Fe thin films.
λs
Ni Balk -33.0×10-6 5.5
Fig.11 Dependence of ratio of Ni value) of Tb-Fe thin films on Tb content.
